======Aufschmelzverlauf======
-> [[grafische_darstellung_der_ergebnisse:aufschmelzverlauf|Zur grafischen Darstellung des Aufschmelzverlaufs]]
Der Aufschmelzverlauf unterteilt sich in drei Abschnitte. \\
- Zunächst wird die Anschmelzberechnung durchgeführt, welche den Ort der Schmelzewirbelbildung (OSW) berechnet.
- Ab dem Ort der Schmelzewirbelbildung beginnt das "konventionelle" Aufschmelzen
- Ab einem gewissen Umschaltpunkt **kann** das konventionelle Aufschmelzen in ein disperses Aufschmelzen umschlagen
Die drei Abschnitte werden im folgendem beschrieben.
===== Anschmelzberechnung =====
Die Anschmelzlänge beschreibt die Strecke vom Kanalbeginn bis zur Position, an der sich der Schmelzewirbel bildet. Für die Berechnung der Anschmelzlänge wird angenommen, dass sich der Schmelzefilm zwischen dem Zylinder und dem Feststoffbett allmählich vergrößert. Die erforderliche Schmelzefilmdicke für die Bildung des Schmelzewirbels entspricht dabei der mittleren Schmelzefilmdicke, wie sie sich aus der konventionellen Aufschmelzberechnung ergibt. Aufgrund der porösen Struktur des Feststoffbetts ist der zu Beginn eingetragene Wärmestrom aus dem Zylinder reduziert. Je geringer die Zylindertemperatur und die Schüttdichte des Materials im Kanal ist, desto weiter stromabwärts liegt der Ort der Schmelzewirbelbildung.
===== Konventionelles Aufschmelzen =====
Das konventionelle Aufschmelzen erfolgt in REX nach dem Maddock Modell für wandhaftende Schmelze.
{{ :berechnungen:aufschmelzverlauf:abb_konv_aufschmelzen_01_de.svg?nolink&500 |}}
Das Feststoffbett lagert sich an der nicht treibenden (passiven) Flanke des Schneckenkanals an. Während der Kunststoff aufschmilzt wird er durch die Relativbewegung zwischen Schnecke und Zylinder sowie durch das "Abschaben" durch die Schneckenstege zur aktiven Flanke des Schneckenkanals abgeführt. Hierdurch entsteht ein Schmelzewirbel, welcher gleichzeitig das Feststoffbett an die nicht treibende Flanke drückt. \\
Im fortlaufenden Aufschmelzprozess wird das Feststoffbett schmaler, behält durch den Druck des Schmelzewirbels jedoch seine Höhe bei. Somit sinkt die Feststoffbettbreite durch den Aufschmelzprozess. Bei konstanter Kanalgeometrie sinkt die Feststoffbettbreite kontinuierlich, durch eine Verringerung des Kanalvolumens (geringere Kanalhöhe, breitere Stege, mehrgängige Zone, geringere Gangsteigung, Begrenzung auf den Feststoffkanal bei Barriereschnecke) steigt die Feststoffbettbreite, da der Feststoffvolumenstrom konstant bleibt.
Die in REX dargestellte dimensionslose Feststoffbettbreite $y$ ist normiert auf die Kanalbreite: $y = \frac{Feststoffbettbreite}{Kanalbreite}$
==== Verstopfen der Schnecke ====
Durch eine zu starke Kompression des Schneckenkanals kann die Schnecke verstopfen.\\
Verstopft die Schnecke außerhalb einer Barriere- oder Mailleferzone so bricht die Aufschmelzberechnung ab, da kein weiterer Aufschmelzverlauf berechnet werden kann. Hier wird die Berechnungsoption "**Aktuell in Bearbeitung: Bei Verstopfen Durchsatz iterieren**" empfohlen, welche so lange den Durchsatz iteriert, bis ein Prozess erreicht wird, welcher nicht mehr verstopft.\\
Verstopft der Feststoffkanal innerhalb einer Barriere- oder Mailleferzone, so wechselt der überschüssige Kunststoff in den Schmelzekanal über. Im Schmelzekanal wird ein disperses Aufschmelzen angenommen. Wenn sowohl Feststoff- als auch Schmelzekanal eine Feststoffbettbreite/Feststoffanteil $y > 1$ erreichen wird die Berechnung abgebrochen. Ist die Berechnungsoption "**Aktuell in Bearbeitung: Bei Verstopfen Durchsatz iterieren**" gewählt so wird der Durchsatz iteriert, bei welchem der Feststoffkanal nicht verstopft, sodass auch kein Feststoff in den Schmelzekanal übertritt.
==== Entgasungsschnecken ====
Wird ein Entgasungsextruder berechnet so gibt es drei Möglichkeiten für den Fall, dass der Kunststoff zu Beginn der Entgasung noch nicht vollständig aufgeschmolzen ist (s. [[berechnungen:einfache_berechnung|Berechnungseinstellungen]]):
- **Aufschmelzen bis Entgasungszone**: Bei Beginn der Entgasungszone wird die Aufschmelzberechnung abgebrochen
- **Aufschmelzen ab Entgasungszone konventionell**: Nach Beginn der Entgasungszone wird mit dem konventionellen Aufschmelzmodell der Aufschmelzverlauf weiter berechnet.
- **Aufschmelzen ab Entgasungszone dispers**: Nach Beginn der Entgasungszone wird mit dem dispersen Aufschmelzmodell der Aufschmelzverlauf weiter berechnet.
==== Besonderheiten in PSI ====
Neben der Plastifizierphase gibt es im Spritzgussprozess auch Stillstandszeiten, in welchen der Kunststoff durch die Zylindertemperierung weiter aufschmilzt. Zur Berücksichtigung in REX wird jedem Intervall eine anteilige Stillstandszeit zugewiesen (Die Summe über alle Intervalle entspricht der vorgegebenen Stillstandszeit) und das Aufschmelzen innerhalb dieser Stillstandszeit berechnet:
- $\text{Anzahl Stillstandszeiten} = \frac{\text{Kanalvolumen der Schencke}}{\text{Dosiervolumen}}$\\ \\
$\text{Stillstandszeit insgesamt}= \text{Anzahl Stillstandszeiten} * \text{Stillstandszeit}$\\ \\
$\text{normierste Stillstandszeit} = \frac{\text{Stillstandszeit insgesamt}}{\text{Durchlaufzeit}_{\text{Schnecke}}}$\\ \\
$\text{Stillstandszeit im Intervall}=\text{Durchlaufzeit}_{\text{Intervall}}*\text{normierste Stillstandszeit}$
Die anteilige Stillstandszeit pro Intervall wird verwendet, um das Aufschmelzen durch die Stillstandszeiten im diskontinuierlichen Spritzgießprozess zu berücksichtigen. Die Gleichungen zum Aufschmelzen innerhalb der Stillstandszeiten entspringen folgenden Quellen:
Quellen
* Schulte, Hubertus: Grundlagen zur verfahrenstechnischen Auslegung von Spritzgießplastifiziereinheiten. Dissertation, Universität Paderborn, 1990
* Potente, Helmut: Simulation of Injection Molding and Comparison with Experimental Values. Intern. Polymer Processing VIII (1993) 3
- $\text{Schmelzeanteil} = 1 - y * \frac{h*b*i*v_{fz}}{(h*b*i*v_{fz})_{OSW}}$
mit
- $v_{fz,OSW} = \frac{\dot{V}}{(h*b*i)_{OSW}}$
und
- $ v_{fz,neu} = v_{fz,alt}*\left( \frac{h_{neu}}{h_{alt}}\right) ^a$
Der Faktor $a$ (>0) beschreibt hierbei die Beschleunigung des Feststoffbettes durch Verringerung der Kanalhöhe. Bei konstanter Kanalhöhe bleibt die Feststoffbettgeschwindigkeit konstant, bei sich reduzierender Kanalhöhe steigt die Feststoffbettgeschwindigkeit an, bei sich erhöhender Kanalhöhe sinkt die Feststoffbettgeschwindigkeit.
===== Disperses Aufschmelzen =====
Das disperse Aufschmelzen setzt einen bereits ausreichend hohen Schmelzeanteil voraus und bedeutet, dass sich der nicht aufgeschmolzene Kunststoff in einzelnen Partikeln in der bereits aufgeschmolzenen Kunststoffschmelze verteilen und durch Wärmeleitung aus der Kunststoffschmelze aufschmelzen. Das Ziel des dispersen Aufschmelzens ist eine gesteigerte Aufschmelzleistung, eine bessere thermische Homogenität sowie eine kühlere Kunststoffschmelze.
{{ :berechnungen:aufschmelzverlauf:abb_disperses_aufschmelzen_de_en.svg?nolink&500 |}}
Wie in der Abbildung zu erkennen schmelzen die Partikel durch Wärmeleitung aus der Kunststoffschmelze aus. Hierdurch sinkt die Temperatur der Kunststoffschmelze. Gleichzeitig kann das hohe Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis zu einer gesteigerten Aufschmelzleistung führen. Die Aufschmelzgeschwindigkeit ist hierbei von der Partikelgröße, der Kanalgröße, dem Feststoffanteil sowie der Schmelzetemperatur abhängig. Je nach Einflussparametern findet das Aufschmelzen schneller oder langsamer statt im Vergleich zum konventionellen Aufschmelzmodell.
Neben der Abkühlung der umgebenden Kunststoffschmelze sorgen die Feststoffpartikel ebenfalls für eine erhöhte Schergeschwindigkeit in der Schmelze. Je nach Partikelgröße und Feststoffanteil kann das disperse Aufschmelzen die Temperatur somit entweder senken oder erhöhen im Vergleich zum konventionellen Aufschmelzmodell.
Quellen
* Pape, Jens: Grundlagen der Prozesssimulation von Einschneckenkonzepten zur Hochleistungsplastifizierung, Dissertation, Universität Paderborn, 2006
* Dörner, Marius: Wave-Schnecken in der Einschneckenextrusion, Dissertation, Universität Paderborn, 2022